[論文レビュー] An Efficient Paradigm for Feasibility Guarantees in Legged Locomotion

Michele Focchi, Michele Focchi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Robotic Locomotion and Control参考文献 39被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、動的バランス、関節トルク制限、運動学的制限を同時に満たすように最適化された領域を統合することで、脚式ロボットにおける重心（CoM）およびボディ軌道を生成するための効率的なパラダイムを提案する。本手法は到達可能領域の計算と2次元の妥当領域を組み合わせることで、リアルタイムで制約を考慮した軌道計画を可能にし、HyQおよびAliengoロボット上で検証された。その結果、運動学的違反が顕著に減少し、追従性能が向上した。

ABSTRACT

Developing feasible body trajectories for legged systems on arbitrary terrains is a challenging task. In this paper, we present a paradigm that allows to design feasible Center of Mass (CoM) and body trajectories in an efficient manner. In our previous work [1], we introduced the notion of the 2D feasible region, where static balance and the satisfaction of joint torque limits were guaranteed, whenever the projection of the CoM lied inside the proposed admissible region. In this work we propose a general formulation of the improved feasible region that guarantees dynamic balance alongside the satisfaction of both joint-torque and kinematic limits in an efficient manner. To incorporate the feasibility of the kinematic limits, we introduce an algorithm that computes the reachable region of the CoM. Furthermore, we propose an efficient planning strategy that utilizes the improved feasible region to design feasible CoM and body orientation trajectories. Finally, we validate the capabilities of the improved feasible region and the effectiveness of the proposed planning strategy, using simulations and experiments on the 90 kg Hydraulically actuated Quadruped (HyQ) and the 21 kg Aliengo robots.

研究の動機と目的

• 構造的でない地形における脚式ロボットのための妥当なCoMおよびボディ軌道を生成する課題に取り組み、動的バランス、関節トルク、運動学的制約を満たす。
• 従来の最適化ベースの手法が関節／運動学的制限を無視するか、それらを組み込むと高い計算コストがかかるという限界を克服する。
• 高次元最適化問題をオンラインで解かずに、軌道の妥当性を保証するため、幾何的構造（妥当領域および到達可能領域）を活用した計算効率の良い計画戦略を開発する。
• 包括的でない制御フレームワークに改善された妥当領域を統合し、リアルタイムで制約を考慮した歩行計画を実現する。
• 2種類の異なる四足歩行ロボット（HyQ（90 kg）およびAliengo（21 kg））を用いて、シミュレーションおよび実世界実験の両方で手法を検証し、耐障害性と妥当性の保証を示す。

提案手法

• 重心の到達可能領域（逆運動学と関節位置制約を用いて計算）と動的バランス領域（重心動力学に基づく）の積集合として、改善された妥当領域を定義する。
• 関節運動学的制限下での重心の到達可能領域を、段階的射影と多角形オフセット技術を用いて効率的に計算するアルゴリズムを導入する。
• 重心の投影が存在しなければならない2次元領域として、改善された妥当領域を定式化し、摩擦、関節トルク、運動学的制限のすべての制約を満たす。
• 重心に基づくアフィンスケーリングを用いて、安全マージンに応じて妥当領域のサイズを調整し、ロボットサイズのスケーラビリティを確保する。
• 歩行スケジューリング、足場計画、姿勢軌道生成を含む、包括的運動計画パイプラインに改善された妥当領域を統合する。
• フィードバック制御と不具合観測器を用いて、HyQ（90 kg）およびAliengo（21 kg）の両方のシミュレーションおよび実験で計画戦略を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、計算コストを低く抑えながら、脚式ロボットの軌道計画において動的バランス、関節トルク制限、関節運動学的制限を同時に満たすことができるか？
• RQ2 関節位置制約下で、重心の到達可能領域を効率的に計算することで、リアルタイムでの妥当性チェックが可能になるか？
• RQ3 妥当領域と到達可能領域の交差が、単独で使用する場合と比較して、どのように軌道計画を改善するか？
• RQ4 重心ベースのスケーリングと多角形オフセットの2つの方法の違いが、妥当領域の保守性と計算効率に与える影響は何か？
• RQ5 提案された計画戦略は、実世界の脚式歩行において、運動学的制限違反をどの程度低減し、CoM追従性能を向上させるか？

主な発見

• 動的バランス領域と到達可能領域の交差によって得られる改善された妥当領域は、摩擦、関節トルク、運動学的制限の制約を1つの2次元幾何的構造に統合して効果的に表現できた。
• Aliengoにおける実験では、標準計画戦略（SP）が降下時に膝関節の衝突を引き起こしたが、妥当性計画戦略（FP）では運動学的制限違反が100％削減された。
• HyQにおけるx方向のCoM位置追従性能は、FP戦略で顕著に向上した。SP戦略とは異なり、制約違反による性能劣化は見られなかった。
• 重心ベースのスケーリング法は平均0.005 msの計算時間で実現され、多角形オフセット法（5 ms）に比べて著しく効率的でありながら、スケーリング領域が元の妥当領域内に保たれた。
• CoM高さ0.49 mにおけるHyQの到達可能領域は、実地のCoM作業領域とよく一致しており、到達可能領域計算の正確性が裏付けられた。
• 本フレームワークにより、ハイクや不整地帯を含む挑戦的な地形でも、HyQおよびAliengoの両方で成功裏にリアルタイム歩行が実現され、完全な妥当性保証が得られた。